Inductiemotoren (asynchroonmotoren) in elektrische auto’s
Een inductiemotor — ook asynchroonmotor genoemd — wekt het magnetisme van de rotor op zonder permanente magneten of een afzonderlijke stroomvoorziening voor de rotor. De eenvoudige kortsluitrotor, het regelbare veld en de geschiktheid voor hoge toerentallen maken hem tot een robuuste optie voor elektrische aandrijving.
Hoe inductie koppel opwekt
De omvormer voedt de drie fasewikkelingen van de stator met in de tijd verschoven stromen. Samen creëren deze stromen een magnetisch veld dat rondom de luchtspleet draait. De draaisnelheid van het veld wordt bepaald door de elektrische frequentie en het aantal magnetische polen van de motor.
De gebruikelijke rotor van een tractiemotor is een kortsluitkooi: geleidende staven van aluminium of koper lopen door het gelamineerde staal en worden aan de uiteinden kortgesloten door ringen. Het roterende statorveld snijdt door deze staven en induceert er stroom in. Deze stroom creëert een magnetisch veld in de rotor, en de wisselwerking tussen beide velden produceert koppel.
Voor inductie moet de rotor met een andere snelheid draaien dan het statorveld. Dit verschil heet slip. Bij motorbedrijf loopt de rotor normaal achter op het roterende veld; bij generatorbedrijf, waaronder regeneratief remmen, wordt de geregelde verhouding omgekeerd zodat mechanisch vermogen elektrisch vermogen wordt.
Slip is een eigenschap, geen fout
Slip wordt vaak uitgedrukt als percentage van de synchrone snelheid. Hij verandert met de koppelvraag en is niet hetzelfde als wielslip. Bij lage belasting kan de benodigde elektromagnetische slip klein zijn. Een hoger koppel vereist doorgaans meer rotorstroom en een groter geregeld snelheidsverschil.
De omvormer doet veel meer dan een vaste wisselspanning aanleggen. Vectorregeling schat of meet de rotorflux en scheidt de stroomcommando’s die de flux opbouwen van de commando’s die koppel creëren. Door fasestroom en frequentie voortdurend te wijzigen kan de regeling vanaf stilstand tot in het veldverzwakkingsgebied een gelijkmatig koppel leveren.
Driefasenbedrijf creëert een gelijkmatig roterend veld, maar maakt reductietandwielen niet overbodig. De meeste aandrijfeenheden voor elektrische auto’s met inductiemotor verlagen nog steeds het hoge motortoerental voordat ze het koppel naar de wielen sturen.
Rotorconstructie en warmte
Inductiemotoren in elektrische personenauto’s gebruiken normaal een kortsluitrotor omdat deze geen borstels, sleepringen, magneten of geïsoleerde rotorwikkelingen heeft. Inductiemachines met gewikkelde rotor bestaan, maar zijn niet de gebruikelijke architectuur voor een moderne tractie-eenheid van een elektrische personenauto en mogen niet worden verward met een elektrisch bekrachtigde synchroonmotor.
Het ontbreken van rotormagneten vereenvoudigt de materiaalvoorziening, maar inductie betekent geen verliesvrije magnetisering. De statorstroom moet het veld in de luchtspleet opbouwen en vermogen naar de rotor overbrengen. De elektrische weerstand van de kooi zet een deel van de geïnduceerde rotorstroom om in warmte. Bij hoge belasting kan het afvoeren van deze warmte uit een draaiend onderdeel een van de belangrijkste thermische uitdagingen van de aandrijfeenheid zijn.
Sterke punten in een elektrische auto
Een inductierotor is mechanisch eenvoudig en kan hoge toerentallen verdragen wanneer kooi, laminaties, as en lagers voor de optredende belasting zijn ontworpen. Er bestaat geen risico op demagnetisering van permanente magneten en de rotor bevat geen magneten met zeldzame aardmetalen.
De omvormer kan de flux van de machine verminderen wanneer weinig koppel nodig is. Wanneer een inductiemotor op een secundaire as spanningsloos wordt gemaakt, kan hij met lage elektromagnetische weerstand meedraaien omdat hij geen permanent rotorveld heeft. Verliezen in lagers, afdichtingen en tandwielen, door het rondwoelen van olie en resterende elektromagnetische verliezen blijven aanwezig; ‘geen weerstand’ moet dus niet letterlijk worden genomen.
Inductiemotoren kunnen ook korte overbelastingen aan wanneer omvormer, accu en koelsysteem voldoende reserve hebben. Dit is nuttig voor korte acceleraties, maar de temperatuur — niet het woord ‘inductie’ — bepaalt de herhaalbare grens.
Grenzen en ontwerpafwegingen
Koperverliezen in de rotor en de door de stator geleverde magnetiseringsstroom kunnen bij sommige werkpunten het systeemrendement en de arbeidsfactor verlagen ten opzichte van een goed geoptimaliseerde permanentmagneetaandrijving. Ze verhogen ook de omvormerstroom voor een gegeven asvermogen.
Deze vergelijkingen hangen af van de kaart. Een inductiemotor is bij hoge snelheid niet van nature inefficiënt en een permanentmagneetmotor is niet automatisch overal beter. Rotorontwerp, elektrisch staal, luchtspleet, koeling, schakelstrategie, overbrengingsverhouding en de gebruikscyclus van het voertuig bepalen het resultaat.
Nauwkeurige regeling is bovendien afhankelijk van schatting van rotortemperatuur en parameters, omdat de weerstand van de kooi verandert wanneer de rotor opwarmt. De regeling moet flux en koppel stabiel houden zonder directe elektrische toegang tot de rotor.
Hoe fabrikanten inductiemotoren inzetten
Een inductiemotor kan de hoofdaandrijfmotor zijn of een versterkingsmotor op een tweede as. Audi’s PPE-aandrijfsysteem biedt een duidelijk voorbeeld van een combinatie van motoren: een permanentmagneet-synchroonmotor verzorgt de primaire aandrijving van de achteras, terwijl een inductiemotor vooraan wordt bekrachtigd wanneer extra prestaties of tractie nodig zijn. Wanneer hij niet actief is, kan de voorste motor met lage weerstand draaien.
Deze opstelling is een systeemkeuze, geen universele regel. Het werkelijke rendement van een voertuig hangt af van hoe vaak iedere as werkt, of een koppeling is gemonteerd, de verliezen in tandwielen en banden en de manier waarop de regelsoftware werkpunten selecteert.
Terug naar Electric Motors and Drive Units.